Распределение ферментов в клетках, тканях, органах и биологических жидкостях. Мультиферментные комплексы, преимущества организации

Метаболизм - совокупность реакций в организме, направленных на образование органических веществ - составных частей клеток и тканей и реакций, заключающихся в распаде сложных органических веществ.
Катаболизм (в переводе с греческого - вниз) - это процессы распада веществ, сопровождающиеся выделением энергии.

Анаболизм (в переводе с греческого - вверх) - процессы синтеза сложных молекул из более простых, сопровождающиеся потреблением энергии.

Метаболический путь – последовательность химических превращений конкретного вещества в клетке:

а) Циклический метаболический путь – замкнутая последовательность химических превращений, приводящая в итоге к регенерации исходного вещества. Примеры: цикл лимонной кислоты, орнитиновый цикл мочеобразования Кребса.

б) Линейный метаболический путь – линейная последовательность химических реакций. Примеры: гликолиз, пентозофосфатный путь.

в) В центральных метаболических путях исходные вещества могут быть активаторами ключевых ферментов метаболического пути. Как правило, при этом аллостерической активации подвергаются ферменты, катализирующие ключевые реакции заключительных этапов метаболического пут. Цикл Кребса является центральным метаболическим путем, т.к. 1) связывает в клетке процессы катаболизма и анаболизма (пример: образующийся оксалоацетат используется в процессах глюконеогенеза, синтеза заменымых АК, цитрат – в синтезе жирных кислот и т.д.) 2) объединяет белки, жиры, углеводы, в нем сходятся почти все метаболические пути 3) является общим путем окончательного окисления большей части органических молекул в форме ацетил-КоА, играющих роль клеточного «топлива» 4) является основным путем, обеспечивающим энергией большинство клеток.

г) Связующий путь (цикл), объединяющий пути распада и синтеза веществ, называется амфиболическим. Примером амфиболического цикла может служить цикл Кребса (рис. 11). Амфиболические пути связаны, как правило, с окислением веществ до углекислого газа и воды.

д ) Анаплеротический (анаплероз-пополнение) путь - метаболический путь, конечный продукт которого идентичен одному из промежуточных продуктов какого-либо циклического пути.Работа цикла Кребса не прерывается за счёт анаплеротических реакций, которые пополняют цикл субстратами: Пируват + СО2 + АТФ = Оксалоацетат (субстрат Цикла Кребса) + АДФ + Фн.

К вторичным метаболическим путям принадлежит, например, биосинтез коферментов и гормонов, потому что эти соединения вырабатываются и используются только в следовых количествах.

26. Клеточное дыхание: локализация, ферменты, и коферменты, порядок расположения, функция. Сопряжение дыхания и фосфорилирования (окислит.фосфорилирование). Хемиосмотическая гипотеза Митчелла.
Клеточное дыхание - это распад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся потреблением молекулярного кислорода и приводящий к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии. Клеточное дыхание происходит в митохондриях. Митохондрии нах-ся в цитоплазме клеток (кроме эритроцитов).

Ферменты и коферменты объединены в дыхательную цепь. Дыхательная цепь – это система ферментов и коферментов, которые принимают участие в транспорте электронов и протонов от окисляемого субстрата на кислород. Состав дыхательной цепи: а)ферменты: дегидрогеназы (НАД и ФМН – зависимые); цитохромы; б)коферменты: НАД, ФМН, КоQ, гем. Ферменты и коферменты объеденены в комплексы (I, III, IV), или (II, III, IV).

I комплекс – НАД Н – коэнзимQ – редуктаза. Состоит из 26 белковых субъединиц; кофакторов – (НАД, ФМН, КоQ) и 20 атомов железа.

II комплекс называется сукцинатдегидрогеназа (СДГ), содержит кофермент ФАД.

III комплекс – КоQ Н2-цитохром-С-редуктаза. Состоит из 11 белковых субъединиц; кофакторов – (КоQ Н2, трех гемов).

IV комплекс – цитохром-С-цитохромоксидаза или ЦХО. Состоит из трех белковых субъединиц, двух гемов (гем А и гем А3) и двух атомов Сu (СuА и СuВ).

Порядок расположения дыхательных цепей зависит от величины их способности присоединять электроны. Клеточное дыхание представляют как конечный этап пути превращений моносахаров (в основном глюкозы) до указанных конечных продуктов, в который на разных стадиях включаются другие сахара и их производные, а также промежуточные продукты распада липидов (жирные кислоты), белков (аминокислоты) и нуклеиновых оснований. Итоговая реакция клеточного дыхания будет выглядеть следующим образом:С6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+2780КдЖ/моль
Потребление кислорода тканями зависит от интенсивности реакций клет. дыхания. Наибольшей скоростью кл. дыхания характеризуются почки, мозг,печень, наименьшей – кожа, мышечная ткань (в покое). Уравнение (2) описывает суммарный результат многоступенчатого процесса, приводящего к образованию молочной кислоты и протекающего без участия кислорода: С6Н12Об = 2С3Н6О3 + 65 кДж/моль.(2)

Использование клетками кислорода открывает возможности для более полного окисления субстратов. В аэробных условиях продукты бескислородного окисления становятся субстратами цикла трикарбоновых кислот, в ходе которого образуются восстановленные дыхательные переносчики НАДФН, НАДН и флавиновые коферменты. Способность НАД+ и НАДФ+ играть роль промежуточного переносчика водорода связана с наличием в их структуре амида никотиновой кислоты. При взаимодействии этих кофакторов с атомами водорода имеет место обратимое гидрирование (присоединение атомовводорода):

 Во флавиновых коферментах (ФАД или ФМН), активной частью молекул которых является изоаллоксазиновое кольцо, в результате восстановления чаще всего наблюдается присоединение 2 протонов и 2 электронов одновременно

Окислительное фосфорилирование — один из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению энергии в виде АТФ. Субстратами окислительного фосфорилирования служат продукты расщепления белков, жиров и углеводов. Процесс окислительного фосфорилирования проходит на кристах митохондрий. Согласно хемиосмотической концепции, движение электронов по дыхательной цепиявляется источником энергии для транслокации протонов через митохондриальную мембрану. Возникающая при этом разность электрохимических потенциалов (ΔμH+) приводит в действие АТФ-синтазу, катализирующую реакциюАДФ + Рi = АТФ.

Теоретически еще одну молекулу АТФ можно получить в трансгидрогеназной реакции (если процесс начинается с восстановленного НАДФ):

НАДФН + НАД+ = НАДФ+ + НАДН + 30 кДж/моль.
Согласно Хемиосмотической гипотезе, на ряде биологических мембран, названных П. Митчеллом "сопрягающими" (внутренние мембраны митохондрий, хлоропластов, плазматические мембраны бактерий), имеется разность электрических потенциалов и разность концентраций ионов водорода. Разность электрохимических потенциалов ионов водорода образуется за счёт энергии, выделяемой при деятельности цепи окислительно-восстановительных ферментов, и, в свою очередь, является источником энергии для синтеза АТФ из аденозиндифосфорной кислоты и неорганического фосфата.

27. Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса, цикл три- карбоновых кислот) - представляет собой реак­ции, протекающие в митохондриях, в ходе которых осуществляются катаболизм ацетильных групп и высвобождение водородных эквивалентов. В состав СоА входит витамин — пантотеновая кислота. ЦТК включает в себя 8 стадий (10 реакций): 1) Цикл начинается с взаимодействия молекулы ацетил-СоА с щавелевоуксуснойкислотой (оксалоацетатом), в ре­зультате образуется лимонная кислота (цитрат). 2)цитрат превращается в изоцитрат через цис-аконитат. 3)изоцитрат дегидрируется с образование α- кетоглутарата и СО2 4) α- кетоглутарата окисляется до сукцинилСоА и СО2. 5) сукцинилСоА превращается в сукцинат. 6)сукцинат ддегидрируется с образованием фумарата. 7)фумарат дигидрируется с образованием малата. 8)малат дигидрируется с образованием оксалацетата. Значение: Главная функция цикла лимонной кислоты со­стоит в том, что он является общим конечным путем окисления углеводов, липидов и белков, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращаются либо в ацетил-СоА, либо в промежуточные соединения рассматриваемого цикла. Цикл лимонной кислоты играет также главную роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования и липогенеза. О жизненно важной роли цикла лимонной кислоты свидетельствует и тот факт, что у человека почти неизвестны (или их вообще нет) ге­нетически обусловленные изменения ферментов, ка­тализирующих реакции цикла; вероятно, наличие та­ких нарушений несовместимо с нормальным разви­тием.